第4章铁碳合金

基本相-----铁素体与奥氏体 3、基本相---铁素体与奥氏体
碳在α 中形成的间隙固溶体称为铁素体; 碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体; 常用符号 F 或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C 表示，其最大溶解度为0.0218wt%C 727℃，碳多存在于体心立方α ，发生于 727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面 体空隙。铁素体与α 770℃以下均具有 体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点 770℃以下均具有 铁磁性。 铁磁性。
Fe相图中还有三条重要的固态转变线： Fe-Fe3C 相图中还有三条重要的固态转变线： 中开始析出α 全部溶入γ的转变线， (1) GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线， 温度。 常称此温度为 A3 温度。 碳在γ中的溶解度线。 (2) ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为 Acm 温度。低于此温度时， 温度。低于此温度时，γ中将析出 Fe3C，称为二次渗 碳体 Fe3CII，以区别于从液体中经 CD 线结晶出的一 次渗碳体 Fe3CI。 碳在α中的溶解度线。 727℃冷却下 (3) PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从 727℃冷却下 来时， 来时，也将析出 Fe3C，称为三次渗碳体 Fe3CIII。
沈阳理工大学应用技术学院
金属学及热处理
第4章
铁碳合金
§4.1铁碳合金的组元及基本相 §4.2 Fe-Fe3C 相图分析 Fe§4.3典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 §4.4铁碳合金组织成分、组织和性能的关系 4.4铁碳合金组织成分、 铁碳合金组织成分 §4.5 Fe-Fe3C 相图应用 Fe§4.6应用Fe-Fe3C 相图应注意的问题 应用Fe应用Fe
利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢， 利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢， 0.40%的亚共析钢 在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。 在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。 组织组成物的相对含量： 组织组成物的相对含量： 先共析铁素体： 先共析铁素体： wα ＝(0.77−0.40)/(0.77−0.0218)×100%＝49.5% (0.77−0.40)/(0.77−0.0218)×100%＝ 珠光体： 珠光体： w p ＝1 − 49.5%＝50.5% 49.5%＝ 相组成物的相对含量： 相组成物的相对含量：
2、渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化 渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化 合物，分子式为Fe 6.69wt%， 合物，分子式为Fe3C；含碳 6.69wt%， 性能:它的硬度很高，脆性大， 性能:它的硬度很高，脆性大，塑性和韧性几 乎为零。 乎为零。
拉伸强度σ 拉伸强度 b：30N/mm2 延伸率δ： 延伸率 ：0% 断面收缩率ψ： 断面收缩率 ：0% 冲击值： 冲击值：0 布氏硬度 ：800 HBW
基本要求: 基本要求: 掌握铁碳合金基本相， 渗碳体相图中的点、 掌握铁碳合金基本相，铁-渗碳体相图中的点、 区及其意义, 共晶转变、共析转变。 线、区及其意义, 共晶转变、共析转变。 重点：铁-渗碳体相图中的点、线、区及其意义。 重点： 渗碳体相图中的点、 区及其意义。 难点：共晶转变、共析转变。 难点：共晶转变、共析转变。
水平线（1495℃ 发生包晶转变： (1) 在 HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变： 转变产物是γ 0.09-0.53%的铁碳 转变产物是γ。此转变仅发生在含碳 0.09-0.53%的铁碳 合金中。 合金中。 水平线（1148℃ 发生共晶转变： (2) 在 ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变： 转变产物是γ 的机械混合物， 转变产物是γ和 Fe3C 的机械混合物，称为莱氏体 表示。 2.11-6.69%的 （ledeburite），用符号 Ld表示。含碳 2.11-6.69%的 ledeburite），用符号 Ld表示 ）， 铁碳合金都发生此转变。 铁碳合金都发生此转变。
一、工业纯铁 点温度区间结晶出δ固溶体。 合金溶液在 1-2 点温度区间结晶出δ固溶体。 点时， 冷却至 3 点时，开始发生固溶体的同素异构转变 点结束，合金为单相γ δ →γ 。这一转变在 4 点结束，合金为单相γ 点之间又发生同素异构转变γ 。冷至 5-6点之间又发生同素异构转变γ →α ， 点以下全部为α 点时，碳在α 6 点以下全部为α。冷却至 7 点时，碳在α中的 溶解度达到饱和， 点以下，将从α 溶解度达到饱和，在 7 点以下，将从α中析出三 因此, 次渗碳体 Fe3CIII。因此,工业纯铁的 室温组织： 室温组织：α+Fe3CIII 组织形态： 组织形态：白色块状铁素体及晶界上少量分布的 小白片状Fe 小白片状Fe3C。
二、共析钢 合金溶液在 1-2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 点温度区间结晶出γ固溶体， 点凝固完毕，合金为单相γ 727℃ 2 点凝固完毕，合金为单相γ。冷至 3 点（727℃） 在恒温下发生共析转变： 时，在恒温下发生共析转变： 转变产物为珠光体， 转变产物为珠光体，即 P，是α和 Fe3C 的层片 状混合物。P 中的 Fe3C 称为共析渗碳体。因此共析 状混合物。 称为共析渗碳体。 钢的室温组织为 P。 中的α 的相对量可用杠杆定律求得： P 中的α和 Fe3C 的相对量可用杠杆定律求得：
1、纯铁 2、渗碳体
1、纯铁
1) 铁的基本状况 2) 铁的同素异构转变 纯铁由液态结晶为固态后， 1394℃及 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到 1394℃及 912℃时 先后发生两次晶格类型的转变。 912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固 态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。 态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。
1.铁碳合金的基本相有哪些？各用什么符 1.铁碳合金的基本相有哪些？ 铁碳合金的基本相有哪些 号表示？ 号表示？ 2.绘出Fe绘出Fe 相图，并叙述各特性点、 2.绘出Fe-Fe3C相图，并叙述各特性点、线 的名称及含义。 的名称及含义。
§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
基本要求: 基本要求: 掌握铁碳合金的平衡结晶过程及组织。 掌握铁碳合金的平衡结晶过程及组织。 重点：铁碳合金的平衡结晶过程及组织。 重点：铁碳合金的平衡结晶过程及组织。 难点： 难点：运用杠杆定律计算相组成与组织组 成的相对量。 成的相对量。
wα ＝(6.69 −0.40)/(6.69 −0.0218)×100%＝94.3% 0.0218)×100%＝
w
Fe3C
＝1 − 94.3%＝5.7% 94.3%＝
四、过共析钢 过共析钢的室温组织为 P+Fe3CII。 先共析Fe 多沿γ晶界呈网状分布， 先共析Fe3C 多沿γ晶界呈网状分布，量较多 时还在晶内呈针状分布 组织形态： 和呈网状分布Fe 组织形态：层片状的P和呈网状分布 3CII 和呈网状分布
Βιβλιοθήκη Baidu常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁， 通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即 2.11%为碳钢 大于2.11% 为碳钢， 2.11%为铸 含碳量小于 2.11%为碳钢，大于2.11%为铸 Fe系结晶的铸铁， 铁，按 Fe-Fe3C 系结晶的铸铁，称为白口 铸铁。 铸铁。 根据组织特征， Fe根据组织特征，可参照 Fe-Fe3C 相图将铁 碳合金按含碳量划分为七种类型： 碳合金按含碳量划分为七种类型：
如何学习？ HOW 如何学习
掌握铁碳合金的组元及基本相 掌握铁碳合金的组元及基本相 合金的组元 掌握铁碳相图 在研究和使用钢铁材料、 在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和 热处理工艺时，都需要应用。 热处理工艺时，都需要应用。 掌握铁碳合金组织成分、 掌握铁碳合金组织成分、组织和性能的关系
§4.1铁碳合金的组元 4.1铁碳合金的组元
912℃的铁为体心立方晶格 称为α 的铁为体心立方晶格， 温度低于 912℃的铁为体心立方晶格，称为αFe； 912-1394℃间的铁为面心立方晶格 Fe；温度在 912-1394℃间的铁为面心立方晶格 称为γ 1394-1538℃间的铁为 ，称为γ-Fe ；温度在 1394-1538℃间的铁为 体心立方晶格，称为δ Fe。 体心立方晶格，称为δ-Fe。 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化( 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化(书) 铁的多晶型转变具有重用意义！是合金化与热处理的基础 铁的多晶型转变具有重用意义！
§4.2 Fe-Fe3C 相图分析 Fe-
相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表： 相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：
图中 ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。 为液相线， 为固相线。 整个相图主要由包晶、 整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温 转变所组成： 转变所组成：
(3) 在 PSK 水平线（727℃）发生共析转变： 水平线（727℃ 发生共析转变： 转变产物是α 机械混合物， 转变产物是α和 Fe3C 的机械混合物，称为珠 光体（pearlite），用符号 表示。 光体（pearlite），用符号 P 表示。所有含 ）， 碳量超过 0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。 0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。 的铁碳合金都发生这个转变 共析转变温度通常称为 A1温度。 温度。
课堂设计
WHAT什么是铁碳合金？ 提出问题 WHY为什么要学习铁碳合金？ HOW怎么学习铁碳合金？ 解决问题
WHAT什么是铁碳合金？
铁碳合金是铁和碳组成的合金. 铁碳合金是铁和碳组成的合金
WHY为什么要学习铁碳合金？ WHY为什么要学习铁碳合金？ 为什么要学习铁碳合金
工程中使用最为广泛的金属材料是碳钢与 铸铁; 铸铁; 不同成分的碳钢和铸铁， 不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不 相同。 相同。
三、亚共析钢 点温度区间结晶出δ 合金溶液在 1-2 点温度区间结晶出δ固 溶体。 1495℃） 溶体。冷却至 2 点（1495℃）时，δ固溶 0.09%， 体的含碳量为 0.09%，液相的含碳量为 0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变： 0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变：
P+α。 亚共析钢的室温组织为 P+α。 组织形态：白色块状α和层片状 和层片状P 组织形态：白色块状 和层片状
铁的居里点是770 铁的居里点是770 ℃： α-Fe发生磁性的转 发生磁性的转 变，又顺磁性向铁磁性转变 与铁磁性不同的是在顺磁性物质中外部磁 场消失后物质内的磁场立刻就由于热运动 消失了
3)纯铁的性能及应用 3)纯铁的性能及应用 工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低， 工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好 ： 拉伸强度σ 180拉伸强度σb：180-280N/mm2 100屈服强度σ 屈服强度σ0.2：100-170N/mm2 延伸率δ 30延伸率δ：30-50% 断面收缩率ψ 70断面收缩率ψ：70-80% 冲击值：160冲击值：160-200J/cm2 50布氏硬度 ：50-80 HBW 工业纯铁很少用做结构材料。 工业纯铁很少用做结构材料。主要用于要求软磁性 的场合。 的场合。
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
工业纯铁： 工业纯铁：<0.0218%C 共析钢： 共析钢：0.77%C 亚共析钢：0.0218亚共析钢：0.0218-0.77%C 过共析钢：0.77过共析钢：0.77-2.11%C 共晶白口铸铁： 共晶白口铸铁：4.30%C 亚共晶白口铸铁：2.11亚共晶白口铸铁：2.11-4.30%C 过共晶白口铸铁： 4.30过共晶白口铸铁： 4.30-6.69%C
碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏 碳在γ 体; 常用符号 A 或γ表示，其最大溶解度为 表示， 2.11wt%C， 1148℃。奥氏体与γ 2.11wt%C，发生于 1148℃。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。 均具有顺磁性。
***提出问题？ ***提出问题？ 提出问题 体心立方晶格的致密度小于面心立 晶格， 方晶格，为什么铁素体的溶碳能力却 远远小于奥氏体？？ 远远小于奥氏体？？